V. 1.3.2 "Mise en route"
V.3 Les premiers essais
Pour réaliser un essai, une fois la boucle remplie de fluide dégazé à l’état liquide (ici le fluide est de l’éthanol), la résistance chauffante est alimentée électriquement. La température du liquide
mécaniquement (tous les canaux ont été réalisés par fraisage), le moindre défaut constitue un site de nucléation privilégié. Ainsi, le déclenchement de l’ébullition apparaît dans la ligne liquide, en amont des micro-canaux. La reproductibilité constatée de l’endroit où l’ébullition commence indique la présence d’un défaut d’usinage à cet endroit.
Afin de forcer le déclenchement de l’ébullition en aval de la zone des micro-canaux, ce qui est indispensable pour assurer le démarrage de la boucle, deux sites de nucléation artificiels ont été réalisés à l’aide d’un pointeau dans la zone chauffée (cf. figV.13).
micro-canaux sites artificiels de nucléation zone de chauffe ligne liquide ligne vapeur 1 cm
FIG. V.13: Photographie de l’évaporateur avec les sites artificiels de nucléation.
micro-canaux ligne liquide
ligne vapeur début de la vaporisation au niveau
des sites artificiels
1 cm
FIG. V.14: Photographie de l’évaporateur à l’instant où la vaporisation du fluide s’opère au niveau des sites artificiels de nucléation.
La boucle ayant été à nouveau remplie de liquide, la procédure de démarrage est renouvelée. Les sites artificiels de nucléation permettent effectivement d’obtenir le déclenchement de l’ébulli- tion en aval de la zone capillaire (fig.V.14). La poche de vapeur croît alors progressivement dans
la ligne vapeur, jusqu’à ce que le front de condensation atteigne le condenseur. La position de ce front se stabilise à cet endroit, les ailettes étant refroidies par la mise en convection forcée de l’air ambiant à l’aide d’un ventilateur. Un régime permanent est ainsi atteint (fig.V.15), à condition que le flux de chaleur appliqué ne soit pas trop important. En effet, pour des puissances appliquées plus importantes, la température du substrat en aluminium en amont des capillaires atteint une valeur suffisante pour activer le site de nucléation correspondant au défaut d’usinage mentionné précé- demment. L’activation de ce site provoque le désamorçage de la boucle (fig.V.16), l’évaporateur s’asséchant alors complètement au bout d’un certain temps.
FIG. V.15: Photographie de l’évaporateur lorsque le pompage capillaire se produit.
Malgré ce défaut, un fonctionnement en régime stationnaire a néanmoins pu être observé. Dans ce cas, la mise en circulation du fluide semble être obtenue principalement au niveau de l’élargis- sement brusque en aval de la zone capillaire où on peut observer des ménisques dans les coins (fig.V.15). Des ménisques sont parfois observés dans les micro-canaux, mais sur des durées très brèves. Leur stabilisation n’a jamais été obtenue.
ligne vapeur vapeur
FIG. V.16: Photographie de l’évaporateur lorsque la mini-boucle désamorçe.
montré les résultats expérimentaux obtenus avec un canal unique dans le chapitre 3, la stabilisation du front de vaporisation ne peut être obtenue du fait de l’importance de l’extension de la zone de chauffe comparée à l’extension du ménisque correspondant à son équilibre mécanique calculée dans le chapitre 4. Dans le cas du prototype de micro-boucle, un comportement analogue est en- visageable malgré le décalage de la zone de chauffe en aval de la zone capillaire : la conductivité thermique du substrat est suffisamment grande pour que le liquide soit chauffé sur des longueurs importantes, l’activation impromptue du site de nucléation dans la ligne liquide en témoigne. La seconde raison pouvant expliquer la quasi-inexistance de ménisques dans les micro-canaux est liée à la limitation de la valeur du flux appliqué afin de ne pas activer le site de nucléation précité. Dans ce cas, la courbure des ménisques se trouvant dans les coins de l’élargissement brusque en aval de la zone capillaire peut s’avérer suffisant pour assurer le débit nécessaire à l’évacuation du flux de chaleur.
Le fonctionnement du prototype de mini-boucle réalisé s’avère donc mitigé. Un régime sta- tionnaire a pu être obtenu, mais la mise en circulation du fluide semble être obtenue ailleurs que dans la structure capillaire réalisée à cet effet, et la valeur du flux de chaleur pouvant être appliquée est limitée par de l’ébullition parasite.
V.4
Conclusion
La particularité des boucles miniaturisées, lorsqu’elles sont gravées sur un support métallique, tient au rôle prépondérant que prennent les phénomènes de conduction dans la fiabilité de leur fonctionnement. Si on n’y prends garde, les interfaces liquide-vapeur se positionnent à des en- droits non souhaités, rendant les performances et la fiabilité de la boucle aléatoires.
Ces phénomènes de conduction dans le substrat ont donc été modélisés dans un code numérique. Cette modélisation, malgré le fait qu’elle ne fasse pas intervenir la complexité des phénomènes physiques se produisant dans les zones où s’opère le changement de phase, a permis de proposer un design de la boucle à réaliser. Un prototype a été réalisé selon ce design. Sa mise en oeuvre s’est avérée délicate, notamment du point de vue de l’étanchéité du dispositif et de l’élimination des gaz dissous dans le fluide caloporteur. La présence d’incondensables observés à posteriori a nécessité de nombreux remplissages consécutifs avant de parvenir à un démarrage correct de la mini-boucle. Finalement le fonctionnemnet de la boucle a pu être observé à différentes températures de satu- ration et pour différents flux de chaleur. Malheuresement, sur de longues durées la conduction thermique dans le substrat active un site de nucléation situé en amont de la zone capillaire ce qui provoque aux forts flux l’assèchement de cette zone et entraîne l’arrêt de la boucle. La maîtrise du transfert de chaleur du substrat vers le fluide dans cette zone de vaporisation reste un point clef pour pouvoir assurer simultanément le changement de phase et le pompage capillaire. Les nou- velles architectures proposées devront savoir tenir compte du couplage entre ces deux phénomènes pour disposer de systèmes robustes et performants.
Ce travail a porté sur l’étude d’une configuration simplifiée d’évaporateur dans une perspec- tive d’application aux micro-boucles diphasiques à pompage capillaire. Dans ce type de système, l’évaporateur est constitué d’un réseau de micro-canaux en parallèle. Dans un soucis de mener des études par ordre de complexité croissante, une première étape consiste en l’analyse des phéno- mènes capillaires et des mécanismes de vaporisation dans un micro-canal unique.
Dans cette optique, un dispositif expérimental a été entièrement conçu et réalisé, mettant en oeuvre un micro-canal en verre de section carrée de 490 µm d’arête interne. Ce canal est placé entre deux réservoirs à niveaux constants permettant d’imposer une différence de pression nulle à ses bornes. Le canal est alors partiellement chauffé à une de ses extrémités, permettant d’obtenir la vaporisation du fluide caloporteur. Les interfaces liquide-vapeur qui se forment au niveau des singularités géométriques conduisent à la mise en circulation du fluide, i.e. au pompage capillaire. La transparence du canal nous a permis de visualiser les structures d’écoulement en fonction des conditions opératoires. Afin de traiter quantitativement ces visualisations, nous avons développé un outil spécifique d’analyse des images. Les écoulements induits simultanément par la vaporisa- tion et les forces de tension de surface apparaissent très instables, se traduisant par un mouvement oscillatoire du front de vaporisation. Ces instabilités sont plus ou moins importantes selon la puis- sance transmise au fluide. Il a été montré que la longueur moyenne de la zone diphasique, quelle que soit la répartition des phases liquide et vapeur dans celle-ci (i.e., que les films de liquide soient continus ou non dans les coins du micro-tube), a une valeur proche de celle de la zone de chauffe.
Parallèlement à cette étude expérimentale, nous avons développé deux approches de modélisa- tion.
La première permet de décrire les mécanismes intervenant dans des films minces de liquide indé- pendamment de la nécessaire présence d’une calotte sphérique (ménisque principal) à leurs extré- mités. Une résolution numérique permettant de calculer le profil de ces interfaces liquide-vapeur a
pement de deux nombres adimensionnels (nombres d’ébullition et capillaire). Nous avons montré que le domaine d’applicabilité d’une telle modélisation correspond en fait à l’obtention d’un mé- nisque très étiré sous l’effet d’une différence importante de pression à ses bornes et recevant un flux de chaleur élevé.
Une modélisation complète du ménisque, prenant en compte les interactions entre les films minces de liquide et le ménisque principal a été proposée, et sa mise en oeuvre numérique réalisée. Cette deuxième approche numérique montre l’influence non négligeable du deuxième rayon de courbure en particulier lorsque les flux de chaleur appliqués sont faibles. Le couplage de la calotte sphérique avec les films minces, ainsi que l’effet du second rayon de courbure principal, conduisent à une importante réduction des longueurs d’extension du ménisque. Comme pour le premier modèle, ces mêmes longueurs diminuent lorsque le flux de chaleur augmente.
Ces phénomènes nous ont permis d’expliquer les instabilités observées expérimentalement. En ef- fet, l’équilibre mécanique des interfaces liquide-vapeur conduit à des longueurs d’extension plus faibles que la longueur de la zone chauffée imposée sur le dispositif expérimental. Pour respecter cet équilibre, le ménisque doit s’étendre de la sortie du tube (au niveau de la singularité géo- métrique) jusqu’à une position intermédiaire dans la zone chauffée. Le fluide en amont de cette position intermédiaire ne peut exister sous forme liquide en raison du flux de chaleur qu’il reçoit dans cette zone. Sa vaporisation déséquilibre alors mécaniquement le ménisque étendu, et des os- cillations relativement périodiques apparaissent.
Un deuxième volet dans cette étude concerne l’analyse à l’échelle du système d’une micro- boucle dans son ensemble. Une modélisation très simplifiée de son fonctionnement a été déve- loppée et utilisée comme outil de dimensionnement d’un premier prototype d’une micro-boucle. Avant d’aller vers des échelles micrométriques, une étape intermédiaire a consisté à réaliser une mini-boucle dont les diamètres hydrauliques des lignes liquide et vapeur sont de l’ordre du milli- mètre, pour une surface de la zone de chauffe à l’évaporateur de 1 cm2. Des premiers essais ont montré qu’un tel système peut fonctionner malgré l’apparition de phénomènes de nucléation para- sites en amont de la zone capillaire.
Les perspectives à ce travail sont nombreuses. Tout d’abord, les couplages entre les aspects thermiques dans la paroi et mécaniques dans le fluide sont apparus comme ayant un rôle important sur la répartition moyenne des phases et la stabilité des phénomènes. D’un point de vue expé- rimental, il serait intéressant de faire varier la longueur de la zone de chauffe pour déterminer
à profit pour maîtriser les instationnarités afin d’optimiser les performances énergétiques de tels évaporateurs capillaires.
Une conséquence de telles évolutions du modèle (i.e., lorsque la condition à la limite n’est plus une condition de densité de flux homogène) serait alors la nécessité de modéliser les transferts de chaleur au niveau des lignes triples. En effet, le flux de chaleur échangé entre la paroi et l’interface est principalement piloté par les épaisseurs des films de liquide. Dans ce cas, les transferts au voi- sinage des lignes triples peuvent représenter une part non négligeable du flux total.
Le prototype réalisé a mis en évidence certaines limitations dans son fonctionnement, ces perfor- mances et sa fiabilité. Afin d’éviter les phénomènes de nucléation dans la ligne liquide, le design de l’évaporateur doit être redéfini en prenant en compte les résultats de la modélisation du couplage avec la paroi précédemment évoquée.
Propriétés thermophysiques de l’éthanol
Le tableau suivant présente les différentes propriétés de l’éthanol utilisées pour cette étude à température de saturation.
Grandeurs physiques Valeur
Tsat 351 K ρv 0,52 kg.m−3 ρl 745 kg.m−3 µv 1,04.10−5 P a.s µl 43,9.10−5 P a.s λl 0,154 W.m−1.K−1 lv 838,9.103J σ 17,4.10−3N.m−1
TAB. A.1: Propriétés de l’éthanol à température de saturation à la pression atmosphérique.